6061鋁合金山形杯反擠壓工藝優化設計

文/郭俊敏，孫躍，莊曉偉·江蘇龍城精鍛有限公司

6061鋁合金山形杯反擠壓工藝優化設計

文/郭俊敏，孫躍，莊曉偉·江蘇龍城精鍛有限公司

山形杯采用反擠壓工藝成形時，由于杯壁和中心凸臺端面在反擠壓成形過程不受約束，其高度的一致性是擠壓時控制的難點。本文以一種鋁合金山形杯為例，分析了摩擦系數、原材料狀態、凸模工作帶形式等方面對其高度的影響規律。采用虛擬材料法，進一步分析了原材料的應力—應變曲線對杯壁和中心凸臺和高度差的影響。

鋁合金山形杯的初始生產工藝

山形杯是一種中心帶凸臺的杯形件，所用的材質為6061，成形工藝流程為：下料→退火→表面潤滑處理→反擠壓→T6熱處理→車端面。山形杯反擠壓模具分為上模和下模，下模固定在壓力機臺面上，上模隨壓力機滑塊向下運動擠壓材料成形，如圖1所示。按照此工藝方案進行反擠壓成形時，發現山形杯中心凸臺高度明顯低于杯壁高度，如圖2所示。可見反擠壓成形時中間凸臺處坯料和杯壁處坯料流動速度不一致。

圖1 模具示意圖

圖2 工件圖

試驗設計與工藝優化

影響山形杯材料在成形過程中流動速度的因素有：設備的工作速度、材料和模具的摩擦系數、原材料狀態、模具工作帶高度等。由于設備的工作速度恒定，本文僅以摩擦系數、原材料狀態、模具工作帶高度這三個要素作為因子，山形杯杯壁和中心凸臺高度差作為響應，通過Minitab來分析響應和各因子之間的關系。

試驗前的關鍵在于水平的選擇，本文按照因子的兩種典型狀態來設定水平。首先選擇摩擦系數，一種為有潤滑劑的情況，摩擦系數值為0.15，一種為無潤滑劑的干摩擦狀態，摩擦系數值為0.4。其次，選擇沖頭工作帶形式，一種情況為內外工作帶高度相等都為5mm，標記為0，另一種情況為內工作帶高度h為5mm，外工作帶高度H為10mm，記為5。第三，選擇材料狀態，一種為退火狀態的6061鋁材記為T0，另一種為固溶時效狀態的6061鋁材記為T6。

在Minitab中選擇二水平全因子試驗，可以得到8個試驗方案，見表1。在Deform中按照表1的參數進行8次模擬試驗，由于零件為回轉體形狀，取1/4進行模擬，結果如圖3所示。測量杯壁和中心凸臺端面坐標值可以得到高度差的數據，其中中心凸臺高于杯壁記為正，中心凸臺低于杯壁記為負，將數據輸入到Minitab中可得到高度差的主效應圖（圖4）。從圖4中可以看出，摩擦系數對高度差的影響最大，工作帶的形式對高度差的影響最小。但是從實際角度出發，增加摩擦系數會使成形零件的表面粗糙度變差甚至出現裂紋。因此選擇材料的狀態，并合理調節工作帶形式是解決高度差問題的最佳方法。

表1 試驗方案與結果

圖3 模擬試驗結果（中心凸臺在左，筒壁在右）

圖4 工藝參數對工件成形影響的主效應圖

按照此思想，進行一次物理試驗，具體的方案為：毛坯表面滾涂硬脂酸鋅，沖頭內工作帶高度h為5mm，外工作帶高度H為10mm，材料為6061-T6。試驗結果如圖5所示，中心凸臺與杯壁高度基本一致。由于物理試驗中不斷有新的表面生成，摩擦系數是一個變量，物理試驗結果和模擬結果有一定差異，但對定性的分析沒有影響。

圖5 工件實物圖

虛擬材料法

從模擬試驗和物理試驗的結果來看，材料狀態對中心凸臺與杯壁高度差的影響較大。進一步分析其原因，發現6061-T0和6061-T6這兩種材料狀態的應力—應變曲線不同，應力—應變曲線低的6061-T0獲得的工件中心凸臺較低，應力—應變曲線高的6061-T6獲得的工件中心凸臺較高，因此推測原材料的應力—應變曲線是影響高度差的主要原因。為了驗證此結論，本文引入兩種虛擬材料，一種在6061-T0的基礎上降低流動應力，材料標記為low，另一種在6061-T6的基礎上提高流動應力，材料標記為high，如圖6所示。然后進行兩組對照模擬試驗，結果如表2和圖7所示。可見，高度差與原材料的應力應變曲線高度成正相關，與預測一致。

圖6 應力應變曲線圖

表2 對照試驗

圖7 模擬試驗結果（中心凸臺在左，筒壁在右）

結束語

本文針對山形杯中心凸臺在反擠壓過程中高度不足的缺陷，通過試驗設計與有限元模擬分析，以及物理試驗，表明摩擦系數是影響中心凸臺成形高度的主要原因，材料狀態的影響次之，工作帶高度的影響最小。由于成形中增大摩擦系數會帶來很多負面影響，故本文通過改變原材料狀態來解決這一問題，應用虛擬材料法和物理試驗，進一步驗證了改變原材料應力—應變曲線的高度能顯著影響山形杯中心凸臺與杯壁的高度差。